I. Definizione e struttura

Una spline è una struttura di connessione nella trasmissione meccanica. È costituito da una scanalatura esterna sull'albero e da una scanalatura interna su parti come il mozzo. La scanalatura esterna solitamente ha più denti chiave lavorati sulla superficie dell'albero, a forma di fiore. La scanalatura interna è dotata di sedi per chiavetta lavorate sulla parete del foro del mozzo per adattarsi alla scanalatura esterna. La sua funzione è quella di trasmettere la coppia e garantire la concentricità tra l'albero e il mozzo, consentendo loro di mantenere un buon rapporto coassiale durante la rotazione.

II. Classificazione

Classificazione per profilo del dente:

(1) Spline rettangolare: il suo profilo del dente è rettangolare. La scanalatura rettangolare ha le caratteristiche di elevata precisione di centraggio e capacità di carico relativamente elevata. La sua tecnologia di lavorazione è relativamente semplice e il costo è basso, quindi è ampiamente utilizzato nella trasmissione meccanica generale. Ad esempio, nel cambio delle macchine utensili, viene utilizzato per collegare ingranaggi e alberi per realizzare le funzioni di trasmissione di potenza e cambio di velocità.

(2) Spline ad evolvente: il profilo del dente ha la forma di un evolvente. Il vantaggio della spline ad evolvente è la sua buona prestazione di centraggio automatico. A causa delle caratteristiche dell'evolvente, durante il processo di assemblaggio, le superfici dei denti possono regolare automaticamente la loro posizione per garantire la concentricità. Inoltre, la radice del dente è relativamente spessa e la sua resistenza è elevata, quindi è adatta a trasmettere coppie maggiori e velocità di rotazione più elevate. Ad esempio, la connessione tra il semialbero e il mozzo di un'auto spesso adotta la scanalatura evolvente per resistere ai carichi complessi durante il processo di guida del veicolo.

(3) Scanalatura triangolare: il suo profilo del dente è triangolare. Questo tipo di spline ha la caratteristica di un'elevata precisione di centratura, ma la sua capacità di carico è relativamente debole. Viene utilizzato principalmente in occasioni di connessione con carichi leggeri e alta precisione, come la connessione tra alberi e parti in alcuni strumenti di precisione. (Da sinistra a destra in sequenza: spline rettangolare, spline evolvente, spline triangolare)

III. Caratteristiche dei giunti scanalati

I giunti scanalati sono adatti per collegamenti con elevati requisiti di precisione di centraggio, carichi elevati o scorrimento frequente. Il numero di denti, le dimensioni, gli accoppiamenti, ecc. dei giunti scanalati devono essere selezionati in base agli standard.

(1) Poiché un numero relativamente elevato di denti e scanalature sono realizzati direttamente e in modo uniforme sull'albero e sul foro del mozzo, le forze sulla connessione sono distribuite in modo relativamente uniforme.

(2) Poiché le scanalature sono relativamente poco profonde, la concentrazione delle sollecitazioni alla radice del dente è relativamente piccola e la riduzione della resistenza dell'albero e del mozzo è inferiore.

(3) Ci sono più denti e l'area di contatto totale è relativamente ampia, quindi può sopportare carichi relativamente grandi.

(4) L'allineamento tra le parti sull'albero e l'albero è buono (il che è molto importante per le macchine ad alta velocità e di precisione).

(5) Le prestazioni di guida sono relativamente buone (il che è molto importante per le connessioni dinamiche).

(6) La precisione della lavorazione e la qualità della connessione possono essere migliorate mediante metodi di rettifica.

(7) Gli svantaggi degli accoppiamenti spline sono che c'è ancora una concentrazione di stress sulla radice del dente; a volte sono necessarie attrezzature speciali per la lavorazione; e il costo è alto.

IV. Progettazione di accoppiamenti spline

1. Determinare il tipo di spline Spline rettangolare: ha un'elevata precisione di centraggio e una forte capacità di carico. La spline rettangolare ha due serie, ovvero la serie leggera e la serie media. La serie leggera viene spesso utilizzata per collegamenti statici con carichi leggeri, come il collegamento tra l'ingranaggio scorrevole e l'albero in un riduttore. La serie media è adatta per collegamenti con carichi medi. Scanalatura evolvente: ha la caratteristica del centraggio automatico e la radice del dente è relativamente spessa con elevata resistenza. Viene spesso utilizzato per collegamenti con carichi elevati e requisiti elevati di precisione di centraggio, come il collegamento tra il semialbero automobilistico e il mozzo. I suoi angoli di pressione standard comprendono tre tipi: 30°, 37,5° e 45°. La scanalatura evolvente con un angolo di pressione di 30° ha una capacità di carico maggiore. Per i due tipi di radici dentali sono specificati quattro profili dentali fondamentali, vale a dire la radice dentale piatta con un angolo di pressione di 30°, la radice dentale arrotondata con un angolo di pressione di 30°, la radice dentale arrotondata con un angolo di pressione di 37,5° e la radice dentale arrotondata con un angolo di pressione di 37,5°. radice del dente arrotondata con angolo di pressione di 45°. Scanalatura triangolare: ha buone prestazioni di centratura e può centrarsi automaticamente per garantire la coassialità dell'albero e del mozzo e ridurre vibrazioni e rumore. È adatto per trasmissioni di precisione, come il collegamento tra il mandrino di una macchina utensile di precisione e l'ingranaggio. Ha una capacità di carico relativamente elevata e può sopportare carichi attraverso più denti. Con un design ragionevole, può sopportare carichi considerevoli. Viene spesso utilizzato in luoghi con carichi da leggeri a medi e spazio limitato, come il collegamento tra gli ingranaggi e l'albero nella trasmissione di una piccola automobile. La sua struttura è compatta. Alle stesse condizioni, occupa meno spazio della spline rettangolare, il che è vantaggioso per la progettazione di miniaturizzazione, come la connessione tra utensili elettrici portatili, micromotori e riduttori.

2. Determinare i parametri di base della spline

(1) Spline rettangolare Innanzitutto, determinare i parametri di base come il diametro minore d, il diametro maggiore D, la larghezza della chiave B e il numero di denti z. Il diametro minore d è la dimensione principale e viene inizialmente selezionato in base al diametro dell'albero e alla coppia trasmessa. La larghezza della chiave B e il numero di denti z vengono determinati in base alla capacità di carico e ai requisiti strutturali. Il numero di denti z è generalmente un numero pari per comodità di lavorazione e ispezione.

(2) Spline evolvente Determinare i parametri di base come il modulo m, il numero di denti z e l'angolo di pressione (generalmente 30° o 45°). Il modulo è un parametro importante della spline ad evolvente, che determina la dimensione e la capacità di carico della spline. Più grande è il modulo, maggiore è lo spessore del dente e l'altezza del dente della scanalatura e maggiore è la capacità di carico. Il diametro minore è il parametro dimensionale principale della scanalatura rettangolare ed è determinato in base alla resistenza dell'albero e ai requisiti di connessione. Ad esempio, in alcuni sistemi di trasmissione automobilistici, il modulo m può essere compreso tra 2 e 3 mm. Il numero di denti z deve anche considerare la capacità di carico e la struttura e generalmente non è inferiore a 10. La scanalatura ad evolvente con un angolo di pressione di 30° ha una capacità di carico maggiore, mentre la scanalatura ad evolvente con un angolo di pressione di 45° l'angolo di pressione è più adatto per occasioni con carichi leggeri e dimensioni ridotte.

(3) Parametri di base Determinare i parametri di base come il modulo m, il numero di denti z e l'angolo di pressione (generalmente 30° o 45°). La scelta del numero di denti z dipende dal diametro dell'albero, dai requisiti per la coppia trasmessa e dalla disposizione strutturale complessiva dell'attrezzatura. In generale, gli alberi con diametri più piccoli adotteranno un numero relativamente inferiore di denti, mentre per alberi con diametri maggiori e coppie trasmesse più elevate, il numero di denti aumenterà di conseguenza per garantire una capacità di carico sufficiente e una distribuzione uniforme del carico. Il modulo m è un parametro chiave che determina la dimensione e la capacità di carico della spline triangolare. Quanto più grande è il modulo, tanto maggiore è la dimensione dei denti e, di conseguenza, maggiore è la capacità di carico della scanalatura. L'entità dell'angolo di pressione α influisce direttamente sulla forma del profilo del dente e sulle caratteristiche di sollecitazione. Il profilo del dente della scanalatura triangolare con un angolo di pressione di 30° è relativamente "delicato". Quando si trasmettono coppie maggiori, la distribuzione dello stress da contatto sulla superficie del dente è relativamente uniforme, il che è vantaggioso per migliorare la capacità di carico e la resistenza all'usura della superficie del dente ed è adatto per occasioni con carichi elevati e funzionamento relativamente stabile. Mentre il profilo del dente della scanalatura triangolare con un angolo di pressione di 45° è relativamente "ripido". Il suo vantaggio è che, a parità di modulo e numero di denti, lo spessore alla radice del dente è relativamente grande e può sopportare sollecitazioni di flessione relativamente grandi. Pertanto, viene spesso utilizzato in alcuni sistemi di trasmissione con variazioni di carico relativamente grandi e possibili carichi d'urto. Tuttavia, relativamente parlando, la distribuzione dello stress da contatto sulla superficie del dente non è uniforme come quella dell'angolo di pressione di 30° e l'usura della superficie del dente può essere relativamente rapida quando si lavora sotto carichi elevati per un lungo periodo.

3. Calcolo della resistenza Le principali modalità di cedimento dei giunti scanalati sono lo schiacciamento della superficie di lavoro (per connessioni statiche) o l'eccessiva usura della superficie di lavoro (per connessioni dinamiche). Per le connessioni statiche, il calcolo della resistenza viene effettuato in base alla sollecitazione di estrusione sulla superficie di lavoro, mentre per le connessioni dinamiche il calcolo della resistenza condizionale viene effettuato in base alla pressione sulla superficie di lavoro.

(1) Controllo delle spline rettangolari

① Calcolo della forza di contatto della superficie del dente:

Quando la scanalatura rettangolare trasmette la coppia T, la formula di calcolo per la sollecitazione da contatto sulla superficie del dente σH è σH = 2T / (ψzhlDm). Qui, ψ è il coefficiente irregolare di distribuzione del carico (generalmente considerato pari a 0,7 - 0,8), h è l'altezza di lavoro del dente della chiave (per la spline rettangolare, h = [(D - d) / 2] - 2C, dove C è la dimensione dello smusso), l è la lunghezza di lavoro della spline e Dm = (D + d) / 2.

Dopo aver calcolato la sollecitazione di contatto σH, dovrebbe essere inferiore alla sollecitazione di contatto ammissibile [σH]. Il valore della sollecitazione di contatto ammissibile è determinato in base al materiale della scanalatura e alle condizioni di lavoro (ad esempio se è presente lubrificazione, temperatura di lavoro, ecc.). Ad esempio, per l'acciaio 45 dopo il trattamento di tempra e rinvenimento, in buone condizioni di lubrificazione, la sollecitazione di contatto ammissibile [σH] può essere compresa tra 100 e 150 MPa.

② Calcolo della resistenza alla flessione della radice del dente:

La sollecitazione di flessione della radice del dente σF = 2T / (zblDm), dove b è la larghezza della radice del dente (per la spline rettangolare, b = B - 2C).

La sollecitazione di flessione calcolata della radice del dente σF dovrebbe essere inferiore alla sollecitazione di flessione ammissibile [σF]. La sollecitazione di flessione ammissibile è correlata alle proprietà meccaniche del materiale e allo stato di trattamento termico della spline. Ad esempio, per l'acciaio 40Cr dopo la bonifica, la sollecitazione di flessione ammissibile [σF] può essere di circa 150 - 200 MPa.

③ Controllo della precisione di centratura:

Per le spline rettangolari, se per il centraggio viene utilizzato il diametro minore, è necessario verificare l'accuratezza dimensionale e la cilindricità del diametro minore. Il grado di tolleranza dimensionale del diametro minore deve essere selezionato in base ai requisiti di precisione di centraggio della connessione. Ad esempio, per trasmissioni di precisione, il grado di tolleranza dimensionale del diametro minore può essere selezionato come IT6 - IT7; per la trasmissione generale è possibile selezionare IT8 - IT9. L'errore di cilindricità deve essere controllato entro l'intervallo consentito per garantire la precisione di centraggio.

(2) Controllo delle spline ad evolvente

① Calcolo della forza di contatto della superficie del dente:

Quando la scanalatura evolvente trasmette la coppia T, la formula di calcolo per la sollecitazione da contatto della superficie del dente σH è σH = ZE[(2T / (ψzm²l)) · 1 / (1 / ρ1 + 1 / ρ2)]¹/². Qui ZE è il coefficiente elastico (relativo al materiale), ρ1 e ρ2 sono i raggi di curvatura nei punti di contatto delle due superfici dei denti, ψ è il coefficiente di distribuzione disomogenea del carico (l'intervallo di valori è simile a quello del spline rettangolare) e l è la lunghezza operativa della spline.

Il σH calcolato dovrebbe essere inferiore alla sollecitazione di contatto ammissibile [σH]. La sollecitazione di contatto ammissibile è determinata in base al materiale della scanalatura e alle condizioni di lavoro. Ad esempio, per le scanalature ad evolvente realizzate in acciaio legato di alta qualità, in una buona lubrificazione e in condizioni di temperatura di esercizio normali, la sollecitazione di contatto ammissibile [σH] può essere compresa tra 200 e 300 MPa.

② Calcolo della resistenza alla flessione della radice del dente:

La sollecitazione di flessione della radice del dente σF = 2T YFKF / (zm²l), dove YF è il fattore di forma del dente e KF è il fattore di carico (considerando fattori come i carichi dinamici).

Il σF calcolato dovrebbe essere inferiore alla sollecitazione di flessione ammissibile [σF]. La sollecitazione di flessione ammissibile è correlata alla resistenza del materiale e al suo stato di trattamento termico. Ad esempio, per l'acciaio legato dopo il trattamento di cementazione e tempra, la sollecitazione di flessione ammissibile [σF] può essere intorno a 250 - 350 MPa.

③ Controllo della precisione di centratura:

La spline evolvente è centrata dalla forma del dente. È necessario verificare la precisione della forma del dente, inclusi errori di forma del dente, errori di passo cumulativi, ecc. Il grado di precisione della forma del dente viene selezionato in base ai requisiti di precisione di centratura della connessione. Ad esempio, per la connessione scanalata ad evolvente in apparecchiature aerospaziali ad alta precisione, potrebbe essere necessario che il grado di precisione della forma del dente raggiunga il grado 5 - 6; per le apparecchiature industriali generali, il grado 7 - 8 può soddisfare i requisiti.

(3) Controllo delle spline triangolari

① Calcolo della forza di contatto della superficie del dente:

La formula per calcolare la sollecitazione da contatto della superficie del dente σH è σH = 2T / (ψzhlDm). Qui, T è la coppia trasmessa, ψ è il coefficiente irregolare di distribuzione del carico (solitamente preso tra 0,7 - 0,85, in particolare a seconda di fattori quali la precisione della lavorazione, la qualità dell'assemblaggio e le condizioni di lavoro della spline), h è l'altezza di lavoro di il dente (per la spline triangolare, h = m(1 + cosα), dove m è il modulo e α è l'angolo di pressione), l è la lunghezza di lavoro della spline e Dm = (d + D) / 2 ( D è il diametro minore della spline e D è il diametro maggiore della spline).

Confrontare la sollecitazione di contatto calcolata sulla superficie del dente σH con la sollecitazione di contatto ammissibile [σH]. Il valore della tensione di contatto ammissibile dipende dal materiale, dal metodo di trattamento termico e dalle condizioni di lubrificazione della scanalatura. Ad esempio, per l'acciaio 45 dopo il trattamento di bonifica, in buone condizioni di lubrificazione, la sollecitazione di contatto ammissibile [σH] è approssimativamente compresa tra 120 e 180 MPa; se si utilizza acciaio legato e si effettua un adeguato trattamento di indurimento superficiale, la sollecitazione di contatto ammissibile può essere aumentata a 200 - 300 MPa o anche superiore.

② Calcolo della resistenza alla flessione della radice del dente:

La formula di calcolo per la sollecitazione di flessione della radice del dente σF è σF = 2T / (zblDm), dove b è la larghezza della radice del dente (per la spline triangolare, b = mπsinα).

La sollecitazione di flessione calcolata della radice del dente σF deve essere inferiore alla sollecitazione di flessione ammissibile [σF]. Lo stress di flessione consentito è strettamente correlato alla resistenza, tenacità e durezza dopo il trattamento termico del materiale. Ad esempio, per l'acciaio 40Cr dopo bonifica, la sollecitazione di flessione ammissibile [σF] può essere compresa tra 180 e 250 MPa; mentre per gli acciai legati dopo trattamento di cementazione e tempra lo sforzo di flessione ammissibile può arrivare intorno a 250 - 350 MPa.

③ Controllo della precisione di centratura:

Metodo di centraggio: la spline triangolare adotta il metodo di centraggio della forma del dente. Durante il processo di lavorazione e assemblaggio, il centraggio viene ottenuto mediante l'ingranamento preciso delle forme dei denti scanalati interni ed esterni. Questo metodo di centraggio può garantire un'elevata precisione di centraggio e durante il processo di lavoro, anche se soggetto a determinate fluttuazioni o impatti del carico, a causa del vincolo reciproco delle forme dei denti, può comunque mantenere bene la coassialità tra l'albero e il mozzo.

Requisiti di precisione: al fine di garantire un buon effetto di centraggio e prestazioni di trasmissione, vengono imposti requisiti rigorosi sulla precisione della forma del dente, sulla precisione del passo e sulla rugosità superficiale della scanalatura triangolare. La precisione della forma del dente viene solitamente controllata in base ai gradi di tolleranza specificati negli standard pertinenti. Ad esempio, nelle trasmissioni di precisione, potrebbe essere necessario che il grado di tolleranza della forma del dente raggiunga IT6 - IT7; anche la tolleranza del passo cumulativo deve essere controllata entro un intervallo ristretto per garantire la distribuzione uniforme di ciascun dente sulla circonferenza ed evitare il fenomeno di concentrazione del carico causato dalla deviazione del passo. In termini di rugosità superficiale, il valore di rugosità della superficie del dente deve generalmente essere compreso tra Ra0,8 - Ra3,2 μm. Una minore rugosità superficiale contribuisce a ridurre l'attrito e l'usura della superficie del dente e a migliorare l'efficienza della trasmissione e la durata della scanalatura. Durante il processo di lavorazione, vengono spesso utilizzati processi di fresatura, brocciatura o rettifica di precisione per garantire questi requisiti di precisione. Nel frattempo, prima dell'assemblaggio, è necessaria un'ispezione rigorosa della spline per garantire che tutti gli indicatori di precisione soddisfino i requisiti di progettazione.

4. Tolleranza e progettazione dell'adattamento

In base ai requisiti di utilizzo e alle condizioni di lavoro della spline, selezionare i gradi di tolleranza e i tipi di adattamento appropriati. Per le connessioni con requisiti di elevata precisione, come la connessione tra il mandrino di una macchina utensile e l'utensile da taglio, è necessario selezionare gradi di tolleranza più elevati per garantire la precisione e la stabilità della connessione. I tipi di adattamento includono l'adattamento con gioco, l'adattamento con transizione e l'adattamento con interferenza. L'adattamento con gioco viene utilizzato per le connessioni dinamiche per facilitare lo scorrimento relativo della spline; l'accoppiamento con interferenza viene utilizzato per collegamenti statici e può trasmettere coppie maggiori; l'adattamento della transizione è tra i due.

5. Progettazione della lunghezza della spline

La lunghezza della scanalatura è determinata principalmente in base all'entità della coppia che deve essere trasmessa dalla connessione. Con la premessa di garantire la trasmissione di una coppia sufficiente, cercare di accorciare il più possibile la lunghezza della scanalatura per ridurre errori e costi di produzione. Nel frattempo, se la lunghezza della scanalatura è eccessiva, ciò comporterà una maggiore difficoltà di lavorazione e potrebbe provocare sollecitazioni irregolari durante il processo di lavorazione.

6. Selezione dei materiali

Acciaio al carbonio: come l'acciaio 45, ha buone proprietà meccaniche complete e un prezzo relativamente basso. Dopo un adeguato trattamento termico (come il trattamento di tempra e rinvenimento), può essere utilizzato per spline triangolari con carichi generali e requisiti di precisione media. È ampiamente utilizzato in alcune apparecchiature meccaniche che sono relativamente sensibili ai costi e presentano condizioni di lavoro meno difficili.

Acciaio legato: ad esempio 40Cr, 20CrMnTi, ecc. L'acciaio legato ha maggiore resistenza, tenacità e resistenza all'usura. Attraverso adeguati processi di trattamento termico (come tempra e rinvenimento, cementazione e tempra, ecc.), è possibile migliorare significativamente la capacità portante e la durata della scanalatura. È adatto per le occasioni in cui è necessario sostenere grandi carichi, il funzionamento ad alta velocità o l'ambiente di lavoro è relativamente duro (come alta temperatura, elevata umidità, presenza di mezzi corrosivi, ecc.), come le parti chiave della trasmissione nelle automobili motori aeronautici e robot industriali.

Durante il processo di progettazione della spline, è necessario considerare anche questioni quali i processi di lavorazione, la lubrificazione e la tenuta per garantire l'affidabilità e la durata della connessione della spline.